Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
метрология 20-40.docx
Скачиваний:
5
Добавлен:
01.05.2025
Размер:
144 Кб
Скачать
☆

20. Размерность, формула размерности

Размерность физической величины — выражение, показывающее связь этой величины с основными величинами данной системы физических величин; записывается в виде произведения степеней сомножителей, соответствующих основным величинам, в котором численные коэффициенты опущены

Говоря о размерности, следует различать понятия система физических величин и система единиц. Под системой физических величин понимается совокупность физических величин вместе с совокупностью уравнений, связывающих эти величины между собой. В свою очередь, система единиц представляет собой набор основных и производных единиц вместе с их кратными и дольными единицами, определенными в соответствии с установленными правилами для данной системы физических величин.

Все величины, входящие в систему физических величин, делят на основные и производные. Под основными понимают величины, условно выбранные в качестве независимых так, что никакая основная величина не может быть выражена через другие основные. Все остальные величины системы определяются через основные величины и называются производными.

Для указания размерностей производных величин используют символ dim.

Например, для скорости при равномерном движении выполняется

где   — длина пути, пройденного телом за время  . Для того, чтобы определить размерность скорости, в данную формулу следует вместо длины пути и времени подставить их размерности:

Аналогично для размерности ускорения получается

Из уравнения второго закона Ньютона с учётом размерности ускорения для размерности силы следует:

В общем случае размерность физической величины представляет собой произведение размерностей основных величин, возведённых в различные (положительные или отрицательные, целые или дробные) степени. Показатели степеней в этом выражении называют показателями размерности физической величины. Если в размерности величины хотя бы один из показателей размерности не равен нулю, то такую величину называют размерной, если все показатели размерности равны нулю — безразмерной.

Символы размерностей используют также для обозначения систем величин. Так, система величин, основными величинами которой являются длина, масса и время, обозначается как LMT. На её основе были образованы такие системы единиц, как СГС, МКС и МТС.

21. Определения основных единиц системы СИ

Основные единицы СИ

Единица

Обозначение

Величина

Определение

Исторические происхождения / Обоснование

Метр

м

Длина

Метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299 792 458секунды. XVII Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) (1983 г, Резолюция 1)

1⁄10 000 000 расстояния от экватора Земли до северного полюса на меридиане Парижа.

Килограмм

кг

Масса

Килограмм есть единица массы, равная массе международного прототипа килограмма. I ГКМВ (1899 г.) и III ГКМВ (1901 г.)

Масса одного кубического дециметра (литра) чистой воды при температуре 4 °C и стандартном атмосферном давлении на уровне моря.

Секунда

с

Время

Секунда есть время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. XIII ГКМВ (1967 г., Резолюция 1) «В покое при 0 К при отсутствии возмущения внешними полями» (Добавлено в 1997 году)

День делится на 24 часа, каждый час делится на 60 минут, каждая минута делится на 60 секунд. Секунда это — 1⁄(24 × 60 × 60) часть Дня

Ампер

А

Сила электрического тока

Ампер есть сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2·10−7ньютонов. Международный комитет мер и весов (1946 г., Резолюция 2, одобренная IX ГКМВ в 1948 г.)

Кельвин

К

Термодинамическая Температура

Кельвин есть единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 частитермодинамической температуры тройной точки воды. XIII ГКМВ (1967 г., Резолюция 4) В 2005 г. Международный комитет мер и весов установил требования к изотопному составу воды при реализации температуры тройной точки воды: 0,00015576 моля 2H на один моль1Н, 0,0003799 моля 17О на один моль 16О и 0,0020052 моля 18О на один моль 16О[1].

Шкала Кельвина использует тот же шаг, что и шкала Цельсия, но 0 кельвинов это температура абсолютного нуля, а не температура плавления льда. Согласно современному определению ноль шкалы Цельсия установлен таким образом, что температура тройной точки воды равна 0,01 °C. В итоге, шкалы Цельсия и Кельвина сдвинуты на 273,15[2]: °C =K — 273,15.

Моль

моль

Количество вещества

Моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц. XIV ГКМВ (1971 г., Резолюция 3)

Кандела

кд

Сила света

Кандела есть сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012 герц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет (1/683) Вт/ср. XVI ГКМВ (1979 г., Резолюция 3)

22. Определения дополнительных единиц системы СИ

Международная система единиц включает в себя две дополнительные единицы - для измерения плоского и телесного углов.

Единица плоского угла - радиан (рад) - угол между двумя радиусами окружности, дуга между которыми по длине равна радиусу. В градусном исчислении радиан равен 57°17'48".

Стерадиан (ср), принимаемый за единицу телесного угла, - телесный угол, вершина которого расположена в центре сферы и который вырезает на поверхности сферы площадь, равную площа-ди квадрата со стороной, по длине равной радиусу сферы.

Измеряют телесные углы путем определения плоских углов и проведения дополнительных расчетов по формуле

где Q - телесный угол;   - плоский угол при вершине конуса, образованного внутри сферы данным телесным углом.

Телесному углу 1 ср соответствует плоский угол, равный 65°32', углу   ср - плоский угол 120°, углу   ср - плоский угол 180°.

Дополнительные единицы СИ использованы для образования единиц угловой скорости, углового ускорения и некоторых других величин. Сами по себе радиан и стерадиан применяются в основном для теоретических построений и расчетов, так как большинство важных для практи-ки значений углов (полный угол, прямой угол и т.д.) в радианах выражаются трансцендентными числами (  ,   и т.д.).

Производные единицы с собственными названиями 

Производные единицы могут быть выражены через основные с помощью математических операций: умножения и деления. Некоторым из производных единиц, для удобства, присвоены собственные названия, такие единицы тоже можно использовать в математических выражениях для образования других производных единиц.

Производные единицы с собственными названиями

Величина

Единица измерения

Обозначение

Выражение

русское название

международное название

русское

международное

Плоский угол

радиан

radian

рад

rad

м·м−1 = 1

Телесный угол

стерадиан

steradian

ср

sr

м2·м−2 = 1

Температура по шкале Цельсия¹

градус Цельсия

degree Celsius

°C

°C

K

Частота

герц

hertz

Гц

Hz

с−1

Сила

ньютон

newton

Н

N

кг·м·c−2

Энергия

джоуль

joule

Дж

J

Н·м = кг·м2·c−2

Мощность

ватт

watt

Вт

W

Дж/с = кг·м2·c−3

Давление

паскаль

pascal

Па

Pa

Н/м2 = кг·м−1·с−2

Световой поток

люмен

lumen

лм

lm

кд·ср

Освещённость

люкс

lux

лк

lx

лм/м² = кд·ср/м²

Электрический заряд

кулон

coulomb

Кл

C

А·с

Разность потенциалов

вольт

volt

В

V

Дж/Кл = кг·м2·с−3·А−1

Сопротивление

ом

ohm

Ом

Ω

В/А = кг·м2·с−3·А−2

Электроёмкость

фарад

farad

Ф

F

Кл/В = с4·А2·кг−1·м−2

Магнитный поток

вебер

weber

Вб

Wb

кг·м2·с−2·А−1

Магнитная индукция

тесла

tesla

Тл

T

Вб/м2 = кг·с−2·А−1

Индуктивность

генри

henry

Гн

H

кг·м2·с−2·А−2

Электрическая проводимость

сименс

siemens

См

S

Ом−1 = с3·А2·кг−1·м−2

Активность (радиоактивного источника)

беккерель

becquerel

Бк

Bq

с−1

Поглощённая доза ионизирующего излучения

грэй

gray

Гр

Gy

Дж/кг = м²/c²

Эффективная доза ионизирующего излучения

зиверт

sievert

Зв

Sv

Дж/кг = м²/c²

Активность катализатора

катал

katal

кат

kat

моль/с

Существуют другие внесистемные единицы, такие как литр, которые не являются единицами СИ, но принимаются для использования вместе с СИ.

23. Кратные и дольные единицы. Приставки для образования кратных и дольных единиц.

Кратные

Дольные

величина

название

обозначение

величина

название

обозначение

101 м

декаметр

дам

dam

10−1 м

дециметр

дм

dm

102 м

гектометр

гм

hm

10−2 м

сантиметр

см

cm

103 м

километр

км

km

10−3 м

миллиметр

мм

mm

106 м

мегаметр

Мм

Mm

10−6 м

микрометр

мкм

µm

109 м

гигаметр

Гм

Gm

10−9 м

нанометр

нм

nm

1012 м

тераметр

Тм

Tm

10−12 м

пикометр

пм

pm

1015 м

петаметр

Пм

Pm

10−15 м

фемтометр

фм

fm

1018 м

эксаметр

Эм

Em

10−18 м

аттометр

ам

am

1021 м

зеттаметр

Зм

Zm

10−21 м

зептометр

зм

zm

1024 м

иоттаметр

Им

Ym

10−24 м

иоктометр

им

ym

Следует учитывать, что при образовании кратных и дольных единиц площади и объема с помощью приставок может возникнуть двойственность прочте-ния в зависимоти от того, куда добавляется приставка. Так, сокращенное обозначение 1 км2 можно трактовать и как 1 квадратный километр и как 1000 квадратных метров, что, очевидно, не одно и то же (1 квадратный километр = 1.000.000 квадратных метров). В соответствии с международными правилами кратные и дольные единицы площади и объема следует образовывать, присоединяя приставки к исходным единицам. Таким образом, степени относятся к тем единицам, которые получены в результате присоединения приставок.  Поэтому 1 км2 = 1 (км)2 = (103 м) 2 = 106 м2

24.Системы сгс и их основные единицы.

СГС (сантиметр-грамм-секунда) — система единиц измерения, которая широко использовалась до принятия Международной системы единиц (СИ). Другое название — абсолютная[1] физическая система единиц.

В рамках СГС существуют три независимые размерности (длина, масса и время), все остальные сводятся к ним путём умножения, деления и возведения в степень (возможно, дробную). Кроме трёх основных единиц измерения —сантиметра, грамма и секунды, в СГС существует ряд дополнительных единиц измерения, которые являются производными от основных. Некоторые физические константы получаются безразмерными. Есть несколько вариантов СГС, отличающихся выбором электрических и магнитных единиц измерения и величиной констант в различных законах электромагнетизма (СГСЭ, СГСМ, Гауссова система единиц).

СГС отличается от СИ не только выбором конкретных единиц измерения. Из-за того, что в СИ были дополнительно введены основные единицы для электромагнитных физических величин, которых не было в СГС, некоторые единицы имеют другие размерности. Из-за этого некоторые физические законы в этих системах записываются по-разному (например, закон Кулона). Отличие заключается в коэффициентах, большинство из которых — размерные. Поэтому, если в формулы, записанные в СГС, просто подставить единицы измерения СИ, то будут получены неправильные результаты. Это же относится и к разным разновидностям СГС — в СГСЭ, СГСМ и Гауссовой системе единиц одни и те же формулы могут записываться по-разному.

В формулах СГС отсутствуют нефизические коэффициенты, необходимые в СИ (например, электрическая постоянная в законе Кулона), и, в Гауссовой разновидности, все четыре вектора электрических и магнитных полей E, D, B и H имеют одинаковые размерности, в соответствии с их физическим смыслом[2], поэтому СГС считается более удобной для теоретических исследований.

СГСЭ 

В СГСЭ электрическая постоянная ε0 (диэлектрическая проницаемость вакуума) безразмерна и равна 1, магнитная постоянная µ0 = 1/с2 (размерность: с2/см2), где c — скорость света в вакууме, фундаментальная физическая постоянная. В этой системе закон Кулона в вакууме записывается без дополнительных коэффициентов: F = Q1Q2/r2, в результате единица заряда должна быть выбрана как квадратный корень из единицы силы (дина1/2), умноженный на единицу расстояния (сантиметр). Из выбранной таким образом единицы заряда (называемой статкулоном, размерность: см3/2г1/2с−1) выводятся определения производных единиц (напряжения, силы тока, сопротивления и т. п.).

СГСМ 

В СГСМ магнитная постоянная µ0 безразмерна и равна 1, а электрическая постоянная ε0 = 1/с2 (размерность: с2/см2). В этой системе нефизические коэффициенты отсутствуют в формуле закона Ампера для силы, действующей на единицу длины l каждого из двух бесконечно длинных параллельных прямолинейных токов в вакууме: F = 2I1I2l/d, где d — расстояние между токами. В результате единица силы тока должна быть выбрана как квадратный корень из единицы силы (дина1/2). Из выбранной таким образом единицы силы тока (иногда называемой абампером, размерность: см1/2г1/2с−1) выводятся определения производных единиц (заряда, напряжения, сопротивления и т. п.).